專利名稱：自緊式環(huán)形密封的制作方法
自緊式環(huán)形密封關于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明不適用。
背景技術：
能夠產(chǎn)油或氣的井具有固定在導管柱上的導管頭，該導管延伸到井中的較淺深 度。然后，將井口頭放置在導管頭中并固定到外套管柱或第一套管柱上。第一套管柱穿過 導管延伸到井中的較深深度。根據(jù)目標區(qū)(通常為油或氣生產(chǎn)區(qū)、或流體注入?yún)^(qū))上方的 地質(zhì)層的特定條件，一個或多個附加套管柱穿過外套管柱延伸更深的深度，直至將井的最 終深度也被包圍為止。外套管柱的上端由其自身的套管掛支撐，該套管掛放置在井口頭中 并由井口頭支撐。在每個套管掛與井口頭之間，設置套管掛密封組件以將套管柱之間的各 個環(huán)形空間隔離。最末最深的套管柱，即生產(chǎn)套管，延伸至井中的最深深度。在鉆孔和安裝套管柱的步驟完成之后，必須完井以生產(chǎn)產(chǎn)液。產(chǎn)液通常在生產(chǎn)區(qū) 從地層中穿過在生產(chǎn)套管中制造出的孔流出。生產(chǎn)油管柱在生產(chǎn)套管內(nèi)延伸至生產(chǎn)區(qū)以提 供壓力受控管道，通過該壓力受控管道生產(chǎn)井產(chǎn)流體。在生產(chǎn)區(qū)上方的某點處，封隔器密封 生產(chǎn)套管與生產(chǎn)油管之間的空間以保證井產(chǎn)流體通過生產(chǎn)油管流到表面。該油管由放置并 鎖定在生產(chǎn)套管掛上方的油管掛組件來支撐。設置油管掛密封組件來隔離開生產(chǎn)油管與生 產(chǎn)套管之間的環(huán)形空間。在井口處，在安裝在井口頭中的通常稱為采油樹的組件中布置具有各種布置方式 的生產(chǎn)調(diào)節(jié)閥門。該采油樹具有包括控制閥門并延伸到各產(chǎn)出流體出口的一個或多個生產(chǎn) 井筒(production bore)。例如，可以使用具有與生產(chǎn)油管偏置的生產(chǎn)調(diào)節(jié)閥門的布置方式的采油樹，通常 稱為水平式采油樹。一種類型的水平式采油樹是在美國專利No. 5，544，707中示出并說明 的Spool Tree ，該專利通過引用并入本文。水平式采油樹還鎖定并密封到井口頭上。然 而，在水平式采油樹中，油管掛鎖定并密封在采油樹的孔中。采用與生產(chǎn)油管偏置的生產(chǎn)閥 門，可以在不必從井口頭上移除水平式采油樹的情況下從采油樹上移除生產(chǎn)油管掛和生產(chǎn) 油管。生產(chǎn)油管掛組件鎖定并密封在經(jīng)鉆穿的水平式采油樹中而不是井口頭中。然 而，因為壓力和熱膨脹和外力作用在限制于該環(huán)形空間中的元件上，所以油管掛密封組件 所在的環(huán)形空間不總是保持恒定。此外，因為負荷施加在部件上，所以形成孔或心軸的部 件的不對稱幾何結(jié)構(gòu)可能導致不對稱偏轉(zhuǎn)。油管掛密封組件應該沿著徑向具有順從性 (compliant)以適應密封表面的這些移動并與密封表面保持足夠的接觸壓力以在所有條件 下都保持密封性。


下面，為了更詳細地說明實施例，將參考以下附圖圖1A是安裝有油管掛的水平式采油樹的剖視正視圖1B是圖1A的水平式采油樹的放大剖視圖；圖2A是示例性密封組件的剖視圖；圖2B是可選密封組件的剖視圖；圖2C是可選密封組件的剖視圖；圖2D是可選密封組件的剖視圖；圖2E是可選密封組件的剖視圖；圖3A是緊接在移動到設置條件之前位于兩個管狀部件之間的密封組件的局部剖 視圖；以及圖3B是圖3A所示的本發(fā)明的形式在密封組件處于設置條件的情況下的局部剖視 圖。
具體實施例方式在以下附圖和說明中，在整個說明書和附圖中分別用相同的附圖標記來表示相同 的部分。附圖不一定按比例繪制。本發(fā)明的某些特征可以按比例放大或者在一定程度上以 示意的形式示出，并且為了清楚和簡潔起見，可能沒有示出傳統(tǒng)元件的某些細節(jié)。本發(fā)明可 以采用不同形式的實施例。詳細描述并在附圖中示出了具體的實施例，應該理解的是應將 本公開視為本發(fā)明的原理的實例，并且本公開并不意圖使本發(fā)明局限于本文所示和所述的 內(nèi)容。應該完全認識到可以單獨地或以任意合適的組合采用不同于下文所討論的實施例的 教導來產(chǎn)生期望的結(jié)果。以任意形式任意地使用術語“連接”、“接合”、“結(jié)合”、“安裝”或描 述元件之間的相互作用的任何其它術語并不意味著將所述相互作用局限于元件之間的直 接相互作用，該相互作用還可以包括所述元件之間的間接相互作用。在參考附圖閱讀實施 例的以下詳細說明時，本領域的技術人員容易理解上述各種特性以及下文更詳細地描述的 其它特征和特性。圖1A 圖1B、圖2A、和圖3A 圖3B示出在水平式采油樹14的情況下使用的密 封組件10的實施例。圖1A 圖1B示出作為對生產(chǎn)油管進行支撐的油管掛16的一部分被 安裝在采油樹14的通孔12中的密封組件10。采油樹14的下端密封地連接至井口頭(未 示出)。采油樹14的上端密封地連接至防噴器(B0P)(未示出)。采油樹14包括敞通至通 孔12的橫向孔，這些橫向孔包括與油管掛16的生產(chǎn)井筒20對接的生產(chǎn)出口 18。一旦就 位，油管掛鎖定組件22將油管掛16鎖定在采油樹14內(nèi)的位置處。如圖所示，油管掛16包括兩個密封組件10，一個密封組件位于生產(chǎn)出口 18下方并 且另一個密封組件位于生產(chǎn)出口 18的上方。密封組件10是環(huán)形密封件，并因此將生產(chǎn)出 口 18和生產(chǎn)井筒20之間的連接部分與在密封組件10的上方和下方環(huán)繞油管掛16的環(huán)形 空間隔離開。如圖2A最佳地示出，密封組件10包括大致上為圓筒形形狀的基座24?；?部分24包括從除基座表面28之外的其余部分突出而以過盈配合與表面接合并將該表面密 封的密封區(qū)26。將基座部分24的結(jié)構(gòu)和材料設計為使得基座部分24能夠在密封組件10 擴張或收縮時存儲彈性能量(在下文中對此做進一步解釋)。密封區(qū)26將接觸壓力集中 到帶中從而集中接觸壓力以實現(xiàn)對油管掛16的密封?；?4還對因密封件的一端與另一 端之間的壓力差而施加于密封組件10上的任何軸向負荷進行支撐。從基座24延伸出兩個 邊緣30，這兩個邊緣均沿著背離基座24的方向延伸并隨后沿相反方向彎曲。邊緣30具有漸縮截面輪廓，從而能夠在邊緣30的端部偏轉(zhuǎn)時存儲彈性能量(在下文中對此做進一步解 釋)。邊緣30還設計為具有足夠的強度來抵抗在流體壓力施加到密封組件10的任一端或 兩端上時的塑性變形。因此，基座24與邊緣30之間的連接部分形成具有彈性和部分塑性 的“鉸鏈”以允許邊緣30的端部與基座24之間進行相對移動。密封組件10可以由諸如金屬等具有彈性行為的任意合適的密封材料制成。例如， 密封組件10可以由鎳合金718制成。然而，應該認識到還可以使用其它材料，例如彈性體 材料等。另外，密封組件10可以是鍍銀的。所鍍覆的銀充當用于下述安裝過程的潤滑劑， 并且由于銀是相對較軟的材料，所以能發(fā)生變形來填充密封表面上的表面缺陷。如圖所示，密封組件還可選地包括彈性密封元件32，該彈性密封元件32用作對由 密封區(qū)26形成的密封起輔助作用的輔助密封件。作為一個實例，彈料密封元件32可以采 用位于基座24上的凹槽中的0形環(huán)的形式。密封組件10還包括在邊緣30之間貫穿基座 24的至少一個卸壓孔34。卸壓孔34使得在安裝和設置密封組件10期間整個基座24上的 壓力達到平衡。下面，將描述安裝和設置過程。如上文所述，在安裝時將油管掛16降落到采油樹 14中。如圖IA 圖IB和圖3A 圖3B所示，將密封組件10安裝在油管掛16的外側(cè)。對 于該安裝過程，在安裝生產(chǎn)油管之前，將密封組件10滑到油管掛16的外側(cè)。油管掛16的 初始外徑的尺寸設定為允許在密封組件10與油管掛16之間存在間隙。然而，通常，油管掛 16的外徑在到達密封組件10最終要設置的區(qū)域之前在一定距離內(nèi)逐漸增大而形成漸縮部 分。由于油管掛16的外徑逐漸增大，密封組件10與油管掛16接合，隨后，隨著密封組件10 在油管掛16上進一步行進，密封組件10擴張。當處于最終安裝位置時，密封組件10擴張 至足以使得密封區(qū)26以過盈配合的方式對油管掛16的外側(cè)進行密封。如果具有可選的密 封元件32，則該密封元件32也對油管掛16的外側(cè)形成密封。為了將密封組件10保持在合 適位置，圖3A和圖3B示出位于各個密封組件10的任一側(cè)的使用卡環(huán)38保持在合適位置 的止動環(huán)36。止動環(huán)36用于將密封組件10保持在合適位置并且用于吸收在設置過程中施 加在密封組件10上的至少一些軸向負荷。還可以借助基座部分24與油管掛16之間的摩 擦來抵抗某些軸向負荷。應該認識到還可以使用用于保持密封組件的其它裝置，只要能限 制密封組件10沿著油管掛16的軸向移動即可，例如圖IA和圖IB所示的構(gòu)造等。圖3A和圖3B的兩個位置示出密封組件10在采油樹14內(nèi)的向下移動。在圖3A 中，油管掛16在密封組件10處于大直徑孔42中并接近漸縮部分設置孔40的情況下在采 油樹14內(nèi)向下移動。在圖3B中，油管掛16已經(jīng)向下移動至如下的點即密封組件10與采 油樹14的孔密封接合，從而對油管掛16的外部和對采油樹14的內(nèi)部提供密封接合。如圖 3B所示，油管掛16已經(jīng)相對于采油樹14向下移動，從而使密封組件10移動到小直徑孔44 中，由此借助漸縮設置表面40以機械方式設置了油管掛16。當密封組件10從圖3A所示的 位置移動到圖3B所示的位置時，邊緣30因與漸縮設置孔40接合而受到擠壓并繼續(xù)受到擠 壓直至到達圖3B所示的最終設置位置為止。一旦設置完成，邊緣30借助過盈配合接觸而 形成對采油樹14的孔的密封。如所設計的那樣，雖然邊緣偏轉(zhuǎn)，但邊緣30在其與采油樹14 的內(nèi)孔接合并將該內(nèi)孔 密封時隨著邊緣30的端部發(fā)生偏轉(zhuǎn)而存儲彈性能量。邊緣30還設 計為在開始生產(chǎn)井產(chǎn)流體時具有足夠的強度來抵抗在流體壓力施加到密封組件的任一端 或兩端上時發(fā)生的塑性變形。另外，基座24與柔性邊緣30之間的連接部分形成具有彈性和部分塑性的“鉸鏈”以允許邊緣30的端部與基座24之間進行相對移動。因為密封是基于密封組件10在油管掛16與采油樹14之間的過盈配合而形成的，所以當以這種方式設置 時，密封組件是“自緊式的”。然而，當流體壓力施加在密封組件10的任一端上時，由于邊緣 30的結(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)附加密封能力。一旦施加了流體壓力，則流體壓力提供使密封組件10的 密封能力提高的附加力。密封組件10的特征是密封組件10能夠依靠來自采油樹14的孔 中的任一軸向或兩個軸向的流體壓力進行可靠地密封。在設置完成時，即使采油樹14與油管掛16之間的環(huán)形空間并不總是保持恒定，諸 如當壓力和熱膨脹或外力作用在油管掛16和采油樹14上時，密封組件10也能夠保持密 封。另外，因為密封組件10沿軸向具有順從性，所以由于采油樹14或油管掛16的不對稱 幾何結(jié)構(gòu)引起的任何不對稱偏轉(zhuǎn)都可以被吸收。因此，密封組件10可以保證與采油樹14 的密封表面和油管掛16的密封表面具有足夠的接觸壓力以維持動態(tài)條件下的密封性。另外，雖然已經(jīng)描述了用基座24對油管掛16進行密封并且用邊緣30對采油樹14 進行密封，但也可以將密封組件顛倒，即，在邊緣30形成對油管掛16的密封且基座24設置 為形成對采油樹14的密封的情況下，將密封組件10安裝在油管掛16上。還應該認識到，雖然描述了密封組件10應用于將油管掛設置到采油樹孔中的情 況，但密封組件10也可用于其它應用，包括除了油氣工業(yè)之外的那些應用。因此，密封組件 10可以用于許多場合，即，在需要將兩個表面之間進行密封的任意場合。圖2B示出密封組件的另一實施例110。如圖所示，密封組件110類似于密封組件 10，但是密封組件110不使用單個單元，而是包括堆疊的單向密封組件，在該組件中，將具 有單個邊緣30的兩個密封體25堆疊起來，因而基座24實際上具有兩個構(gòu)件并且沿著相反 的徑向設置邊緣。此外，密封組件110可以僅僅包括單向密封件，在該單向密封件中，使用 僅具有單個邊緣30的基座24。圖2C示出密封組件的另一實施例210。如圖所示，密封組件210類似于密封組件 10，但是密封組件210包括在基座24與每個邊緣30之間添加的環(huán)形彈簧250。該彈簧為 密封組件110提供彈性能量的附加源。該彈簧通過抵抗安裝期間基座部分24的擴張以有 助于迫使密封區(qū)26與油管掛16進行密封接觸。該彈簧還有助于迫使邊緣30在設置密封 組件210期間對采油樹14的內(nèi)部進行過盈接觸。因此，可以通過彈簧250來傳遞徑向負荷 以加強密封區(qū)26或邊緣30處的密封接觸壓力。該彈簧可以是任意合適的高強度、耐腐蝕 材料，例如彈性范圍盡可能高的ELGILOY ，甚至是非金屬材料。環(huán)形彈簧250可以是盤 簧、螺旋盤簧、板簧、或任意其它合適的結(jié)構(gòu)。另外，雖然未示出，但在圖2B所示的密封組件 110中可以使用彈簧250。圖2D示出密封組件的另一實施例310。如圖所示，密封組件310類似于密封組件 10，但該密封組件310除了包括彈性密封元件32之外，還包括外部二次密封件360。外部二 次密封件360用于在設置密封組件310時在密封組件310與采油樹14的內(nèi)部之間形成輔 助密封。然而，在外部二次密封件360定位時，密封組件310不再包括卸壓孔34。另外，密 封組件310可以可選地不包括如圖2C所示的彈簧250。圖2E示出密封組件的另一實施例410。密封組件410類似于密封組件10，但除了 彈性密封元件32之外，還包括外部二次密封件470。外部二次密封件470用于在設置密封 組件410時在密封組件410與采油樹14的內(nèi)部之間形成輔助密封。然而，當外部二次密封件470定位在邊緣30上時，密封組件410仍可以包括卸壓孔34。另外，雖然未示出，但密封 組件410可以包括如圖2C所示的彈簧250。 雖然已示出并說明了具體實施例，但是本領域的技術人員可以在不脫離本發(fā)明的 精神或教導的情況下進行修改。所示的實施例僅僅是示例性的且不是限制性的。在本發(fā)明 的范圍內(nèi)進行的許多變型和修改都是可行的。因此，保護 范圍不限于所述實施例，而是僅僅 由隨后的權利要求書來限定，保護范圍應包括權利要求書的主題的所有等同內(nèi)容。
權利要求
一種用于在兩個環(huán)形表面之間形成密封的環(huán)形密封組件，所述密封組件包括環(huán)形基座，其包括密封表面；一對間隔開的邊緣，它們從所述環(huán)形基座的與基座密封表面相背對的部分沿著相反的方向延伸，所述邊緣包括密封表面；所述基座是可彈性變形的，并且所述邊緣可相對于所述基座彈性變形以實現(xiàn)所述兩個環(huán)形表面之間的自緊式密封。
2.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述基座密封表面還包括具有密封表面的 突起密封區(qū)。
3.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述基座密封表面包括基座二次密封件。
4.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，還包括位于所述邊緣之間并貫穿所述環(huán)形基座的 卸壓孔。
5.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，還包括環(huán)形盤簧，所述環(huán)形盤簧位于所述基座與 各個邊緣之間并且設置為提供徑向抵抗力以使所述邊緣擠壓所述基座。
6.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣形成為單個主體。
7.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣形成為多于一個 主體。
8.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣是金屬。
9.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，還包括邊緣二次密封件。
10.根據(jù)權利要求9所述的密封組件，其中，所述邊緣二次密封件位于所述邊緣之間。
11.根據(jù)權利要求9所述的密封組件，其中，所述邊緣二次密封件包括位于邊緣密封表 面上的密封件。
12.根據(jù)權利要求1所述的密封組件，其中，所述邊緣可相對于所述基座彈性變形，以 允許所述邊緣的端部與所述基座之間進行相對移動并在動態(tài)條件下保持所述環(huán)形表面之 間的密封。
13.一種用于在兩個環(huán)形表面之間形成密封的環(huán)形密封組件，所述密封組件包括環(huán)形基座，其包括密封表面；邊緣，其從所述環(huán)形基座的與基座密封表面相背對的部分延伸并包括密封表面；所述基座是可彈性變形的，并且所述邊緣可相對于所述基座彈性變形以實現(xiàn)所述兩個 環(huán)形表面之間的自緊式密封。
14.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，其中，所述基座密封表面還包括具有密封表面 的突起密封區(qū)。
15.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，其中，所述基座密封表面包括基座二次密封件。
16.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，還包括環(huán)形盤簧，所述環(huán)形盤簧位于所述基座 與所述邊緣之間并且設置為提供徑向抵抗力以使所述邊緣擠壓所述基座。
17.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，還包括多于一個的基座和對應的邊緣單元，所 述邊緣單元在軸向上對準從而使得所述邊緣彼此相背對地延伸。
18.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣是金屬。
19.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，還包括位于邊緣密封表面上的邊緣二次密封件。
20.根據(jù)權利要求13所述的密封組件，其中，所述邊緣可相對于所述基座彈性變形，以 允許所述邊緣的端部與所述基座之間進行相對移動并在動態(tài)條件下保持所述環(huán)形表面之 間的密封。
21.一種用于水下井的水下完井組件，所述完井組件包括 井口 ；生產(chǎn)采油樹，其與所述井口接合并包括采油樹環(huán)形表面； 油管掛，其放置在所述生產(chǎn)采油樹中并包括油管掛環(huán)形表面；以及 環(huán)形密封組件，其用于在所述采油樹與所述油管掛環(huán)形表面之間形成密封，所述密封 組件包括環(huán)形基座，其包括密封表面；一對間隔開的邊緣，它們從所述環(huán)形基座的與基座密封表面相背對的部分沿著相反的 方向延伸，所述邊緣包括密封表面；所述基座是可彈性變形的，并且所述邊緣可相對于所述基座彈性變形以實現(xiàn)所述采油 樹與所述油管掛環(huán)形表面之間的自緊式密封。
22.根據(jù)權利要求21所述的水下完井組件，其中，所述基座密封表面還包括具有密封 表面的突起密封區(qū)。
23.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，其中，所述基座密封表面包括基座二次密封件。
24.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，還包括位于所述邊緣之間并貫穿所述環(huán)形基座 的卸壓孔。
25.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，還包括環(huán)形盤簧，所述環(huán)形盤簧位于所述基座 與各個邊緣之間并且設置為提供徑向抵抗力以使所述邊緣擠壓所述基座。
26.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣形成為多于一 個主體。
27.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，其中，所述環(huán)形基座和所述邊緣是金屬。
28.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，還包括邊緣二次密封件。
29.根據(jù)權利要求21所述的密封組件，其中，所述邊緣可相對于所述基座彈性變形，以 允許所述邊緣的端部與所述基座之間進行相對移動并在動態(tài)條件下保持所述采油樹與所 述油管掛環(huán)形表面之間的密封。
30.一種用于在第一環(huán)形表面和第二環(huán)形表面之間形成環(huán)形密封的方法，該方法包括通過使環(huán)繞所述第一環(huán)形表面的環(huán)形密封組件變形來在所述第一環(huán)形表面與所述環(huán) 形密封組件之間形成密封；通過使所述環(huán)形密封組件的兩個邊緣彈性變形來在所述環(huán)形密封組件與所述第二環(huán) 形表面之間形成密封；以及所述密封因所述環(huán)形密封組件的變形而成為所述第一環(huán)形表面和所述第二環(huán)形表面 之間的自緊式環(huán)型密封。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于在兩個環(huán)形表面之間形成密封的環(huán)形密封組件。該密封組件包括具有密封表面的環(huán)形基座。該密封組件還包括從環(huán)形基座的與所述基座的密封表面相背對的部分沿著相反的方向延伸的一對間隔開的邊緣，該邊緣還包括密封表面?；强蓮椥宰冃蔚模吘壙上鄬τ诨鶑椥宰冃我詫崿F(xiàn)兩個環(huán)形表面之間的自緊式密封。
文檔編號E21B33/02GK101849081SQ200880114846
公開日2010年9月29日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權日2007年11月5日
發(fā)明者克里斯托弗·G·科丘瑞克, 基思·加伯特, 大衛(wèi)·H·泰斯, 特里·L·希恩, 詹姆斯·A·伯登 申請人:卡梅倫國際有限公司